全方位数字宽带多波束渔用声呐研制

针对远洋渔业捕捞作业过程中对于高效、高精度探测扫海的需求,该研究结合全方位数字宽带多波束技术具有长距离、高分辨率目标探测的特点,采用宽带技术和多波束技术抑制界面混响、体积混响的干扰,及提升探测目标分辨率,提出一种基于可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)的分布式信号处理系统架构,实现多个扇区独立探测扫海,通过水声学理论仿真分析方法,确定影响系统性能的换能器阵尺寸、最大探测距离和最优工作频点3个主要参数之间的相互制约关系,并结合国内典型渔船现状确定渔用声呐关键参数,优选探测信号频段为20~30 kHz。进一步分析噪声、界面混响、体积混响对探测性能的影响,采用基于FPGA的“并行+串行”宽带波束成形实现算法方案,使运算过程中片上存储资源使用量降低90%;采用Delta-Sigma调制技术提升发射信号信噪比,将20~30 kHz内的噪声调整到50 kHz以上频段;提出基于两点递推插值一步预测的波束稳定改进算法,实现在渔船大幅度摇摆下实时波束稳定误差小于1.6°(-0.8°~+0.8°)。研制渔用声呐圆柱型换能器阵、高集成度接收机和发射机、256通道多通道信号处理机等核心部件,并进行系统集成,最终系统实现256个独立的接收和发射通道,支持20~30 kHz频段信号,具备水平360°全方位及垂直近70°的扫描探测能力。选择远洋围网渔船进行海上试验,结果表明:系统性能稳定,环境目标探测结果清晰连续,对目标强度为0 dB鱼群的探测距离达到1550 m以上。所研制的全方位数字宽带多波束声呐关键指标满足海洋渔业捕捞场景需要,可大幅度提升渔业捕捞探测性能,为下一步大规模自主量产奠定基础。

低频宽带多波束声呐系统设计及试验研究

声学方法探测沉底及掩埋小目标在沉埋雷探测、海洋油气田管线定位等军民技术应用领域有着迫切需求及重要意义。文中概述了浅地层剖面仪、合成孔径声呐及海底三维成像系统等几种主流声学探测沉底及掩埋目标技术装备的现状及特点,分析了各自优势及存在的不足。并针对沉底及掩埋有限长管线目标探测需求,分析了低频宽带多波束声呐探测沉底及掩埋有限长管线目标的混响抑制及空间分辨能力,设计了系统的技术指标、使用方式、声探测基阵技术方案、硬件技术方案、信号处理流程、软件界面及软件处理流程,归纳总结了文中设计的低频宽带多波束声呐系统特点,在湖上完成了沉底有限长管线目标的试验验证。结果表明,低频宽带多波束声呐能可靠并有效地探测沉底管线目标。

基于FPGA的超宽带数字波束形成技术

随着高速ADC和高性能FPGA芯片工艺技术的飞速发展,芯片的小型化和集成化促进了电子战系统瞬时覆盖带宽由几十兆赫兹上升到几百兆赫兹甚至到吉赫兹量级,属于超宽带范畴。为了获得更远的探测距离性能,具备同时对多个辐射源侦测的能力,需要瞬时形成多个数字波束对目标区域密集覆盖。针对宽带时域校准与合成处理资源占用多、形成波束少的缺点,在FPGA中采用整数点移位与相位校准滤波方法实现了通道校准,通过整数点移位与分数时延滤波处理降低了合成滤波器的阶数。对瞬时带宽内多个等间隔单音信号的波束指向进行仿真,通过波束图验证了宽带合成各频率指向的一致性。提出了一种处理实时、资源占用少的频域处理方法,结合FPGA芯片特性进行了硬件化实现,对合成前后频谱进行了对比,验证了合成增益。

宽带多波束渔用声呐显控系统设计及关键技术研究

针对宽带多波束渔用声呐实时探测数据量大、处理数据慢等特点,设计了一种宽带多波束渔用声呐显控系统。该系统采用控制层、显示层和数据层3层架构设计,运用多线程技术实时处理数据,并采用多种插值方法实现声呐图像可视化。经过试验对比分析,声呐图像采用双立方插值算法其PSNR值为29.36 dB,可视化效果较好。为进一步提高声呐图像分辨率,采用中值滤波、均值滤波、双边滤波及高斯滤波算法对声呐图像进行去噪效果对比,其PSNR值分别为29.67 dB、28.66 dB、27.64 dB、28.09 dB,结果表明,中值滤波算法去噪效果较好。通过反复试验和论证,本系统可实时高效探测目标信息,可作为宽带多波束渔用声呐设备的显控软件,具有较强的实用价值。

基于Farrow结构的宽带同时多波束形成方法

提出基于Farrow结构的宽带同时多波束算法。在不更新固定加权端权值的情况下,仅在波束指向控制端进行多组加权,便在通带内实现了同时多波束。所提算法在满足恒定束宽的同时,降低了波束旁瓣。考虑到Farrow阵列结构存在抽头数过多、实现难度大的问题,引入了抽头稀疏优化设计思想,经过稀疏优化之后,Farrow结构的有效阶数减小,降低了工程实现的复杂度。仿真结果验证了所提方法的有效性。

FFT宽带多波束形成器子带间波束指向偏差及波束“溢出”问题研究

对基于快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)的宽带多波束快速运算结构的基本原理进行了详细推导:首先分析指出了该结构存在子带间波束指向偏差以及子带波束"溢出"问题,进而导致其有效带宽受限;然后通过数学推导将问题聚焦于阵元个数与FFT点数的绑定关系上;最后通过采取"补零"手段解除该绑定关系,从而在消除子带波束指向偏差的同时克服了"溢出"现象对有效带宽的限制。该方法及相关结论对FFT宽带多波束形成算法在工程中的进一步应用起到了积极的推动作用。